WO2014095238A1 - Verfahren zur verifizierung der zuverlässigkeit von ermittelten messdaten einer ultraschall-durchflussmessung nach der laufzeitdifferenz-methode und ultraschalldurchflussmessgerät - Google Patents

Verfahren zur verifizierung der zuverlässigkeit von ermittelten messdaten einer ultraschall-durchflussmessung nach der laufzeitdifferenz-methode und ultraschalldurchflussmessgerät Download PDF

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WO2014095238A1
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ultrasonic
signals
measurement
transducers
ultrasound
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PCT/EP2013/074586
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Frank Wandeler
Aurèle FLEURY
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Endress+Hauser Flowtec Ag
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01F—MEASURING VOLUME, VOLUME FLOW, MASS FLOW OR LIQUID LEVEL; METERING BY VOLUME
    • G01F1/00—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow
    • G01F1/66—Measuring the volume flow or mass flow of fluid or fluent solid material wherein the fluid passes through a meter in a continuous flow by measuring frequency, phase shift or propagation time of electromagnetic or other waves, e.g. using ultrasonic flowmeters
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    • G01F1/667—Arrangements of transducers for ultrasonic flowmeters; Circuits for operating ultrasonic flowmeters

Definitions

  • the present invention relates to a method for verifying the reliability of determined measurement data of an ultrasonic flow measurement according to the propagation time difference method according to claim 1 and to an ultrasonic flow measuring device according to claim 9.
  • Ultrasonic flowmeters are widely used in process and automation technology. They allow in a simple way to determine the volume flow and / or mass flow in a pipeline.
  • a method for verifying the reliability of determined measurement data comprises an ultrasonic flow measurement according to the transit time difference method, wherein an ultrasonic flowmeter with at least two ultrasonic transducers
  • Ultrasonic signals are emitted and received obliquely in or against a flow direction of a measuring medium
  • Tube waves succeed in a verification of the total ultrasonic measurement and the determined individual measurement data.
  • a verification can either be done by the end user by evaluating the quality criterion or by an evaluation unit, for example by acoustic or optical
  • the evaluation unit can advantageously decide after verification of the quality criterion based on predetermined setpoints whether a determined individual measured value is sufficiently reliable.
  • the reliability / unreliability of the individual measured value can be done for example by visually different display. For example, unreliable individual readings can be displayed in red and reliable individual readings in black or green.
  • Ultrasonic noise signal includes, as this can be done better error estimation.
  • the first and the second time windows are the same size, so that no additional measurement and energy expenditure is expended for a longer time window, which can not be compared.
  • an ultrasonic flowmeter comprises at least two ultrasonic transducers and an evaluation device, which is designed to verify the reliability of determined measurement data of an ultrasonic flow measurement according to the transit time difference method, in particular according to a method according to claim 1.
  • the ultrasonic flowmeter has a display unit for outputting a currently determined measurement uncertainty.
  • a method according to the invention for determining a flow velocity or a flow of a measurement medium through an ultrasonic flowmeter with at least two ultrasonic transducers, wherein ultrasonic signals are emitted and received obliquely in or against a flow direction of a measurement medium, wherein a compensation of a measurement error caused by ultrasonic interference signals, which substantially outside of the measured medium Propagating between the ultrasonic transducers involves the following steps:
  • Ultrasound useful signals wherein in each case a Ultraschallnutzsignal of at least one ultrasonic interference signal is superimposed
  • the ultrasonic transmission signals can be transmitted one-by-one in one direction.
  • the transmission direction of the ultrasound pulses can change as desired, but it must be ensured that the same modulation pattern is used for both transmission directions.
  • the reduction of the measured value error takes place in particular in the ultrasonic interference signals, which originate from previous transmission pulses.
  • FIG. 1 representation of a received signal with a Ultraschallnutzsignal
  • FIG. 2 shows an asymmetrical ultrasonic interference signal
  • FIG. 3 depiction of two superimposed symmetrical ultrasonic interference signals
  • Fig. 4 change in the measurement error of asymmetric ultrasonic noise at
  • Fig. 5 change in the measurement error of symmetrical ultrasonic interference signals at
  • Fig. 6 superposition of two ultrasonic signals comprising a
  • Ultrasonic transducer pair will be explained in more detail. There are also ultrasonic transducer assemblies with More than two ultrasonic transducers are known, to which the present invention is also applicable.
  • ultrasonic flow measurement based on the transit time principle
  • ultrasound pulses are transmitted at a certain angle to the flow direction through the medium to be measured. This is done, for example, by two ultrasonic transducers aligned with each other, wherein each ultrasonic transducer can act as an ultrasonic transmitter over a first operating mode or as an ultrasonic receiver in a second operating mode.
  • each ultrasonic transducer can act as an ultrasonic transmitter over a first operating mode or as an ultrasonic receiver in a second operating mode.
  • the ultrasonic transducers having two ultrasonic transducers, which is also referred to as an ultrasonic transducer pair, the ultrasonic transducers
  • FIG. 8 A typical ultrasonic flowmeter, as known from WO 2009068691 A1, is shown in FIG. 8 to illustrate the measuring principle.
  • the ultrasonic signal passes through the measuring medium in the measuring tube, but also transmits itself via the measuring tube.
  • Ultrasonic flow meter is coupled (for example, ultrasonic coupling paste) and / or through a measuring tube inner lining (in corrosive measuring media) added.
  • Ultrasonic transducer converts the incoming ultrasonic wave back into an electrical signal, which is amplified and further processed.
  • the two ultrasonic transducers should be referred to as ultrasonic transducer A and ultrasonic transducer B.
  • the received signal shall be designated y AB (t) or V BA W according to the following table:
  • the ultrasonic pulse generated by an ultrasonic transducer is scattered due to reflection and refraction at material interfaces, for example between the ultrasonic transducer and the measuring tube, in countless partial waves, so that the other ultrasonic transducer next to the main pulse, which followed the direct path (according to the law of refraction Snellius) , countless stray waves arrive.
  • the received signal in addition to the time-limited main pulse on a superimposed noise-like signal corresponding to the sum signal of all stray waves.
  • This sum signal is also commonly called tube shaft, although some components may not be propagated exclusively in the tube wall (or transducer) but also by the medium.
  • Fig. 1 the time course of a received signal is shown.
  • a region of low amplitude of about 10-30 ⁇ occurs.
  • the signal of the main pulse that is to say the actual useful signal, which is needed to evaluate the transit time difference.
  • a decay takes place at approximately 145 ⁇ s, in which, on the one hand, a signal component is received by a ringing of the receiving ultrasonic transducer and, on the other hand, the proportion of the tube shaft.
  • the proportion of the tube shaft 1 and the proportion of the main pulse 2 was graphically highlighted.
  • the term interfering signal and tube shaft is used synonymously as well as the terms main shaft and
  • n AB (t) and ⁇ ⁇ ( ⁇ ) represent the respective tubular wave signals .
  • Noise signals such as electronic noise, electromagnetic interference or external noise are not taken into account, since they are generally much weaker than the tubular wave signals.
  • the duration of the main pulse x (f) is increased or decreased by 0.5-At, depending on whether it is propagated with or against the flow through the medium.
  • the transit time difference At is the parameter used to determine the flow. Because the
  • Tube waves superimpose the main pulse, they also affect the estimation of the transit time difference At.
  • the measurement error caused by the tube shaft depends on the temperature of the medium and the measuring tube (transducer).
  • n AB (t) and n BA (t) are different for the two propagation directions. A possible explanation for this could be that they propagate not only in the measuring tube but also in sections through the flowing medium.
  • tubular wave signals from equation (1) can be represented in each case according to the following equation as the sum of the pure flow-independent tubular wave signal n p (t) and the flow-dependent and therefore different fractions n AB (t) and n BA ⁇ t).
  • n AB (t) n P (t) + n AB (t)
  • n BA (t) n P (t) + n BA (t)
  • the symmetrical tube waves are shown in Fig. 3, in which the two waves n AB (t) and n BA (t) completely overlap.
  • the symmetrical tube waves can be, for example, echoes from previous sound pulses, which, however, propagate exclusively outside the measuring medium, in particular exclusively in the measuring tube. They are relatively frequent and enter the measurement as background noise. Due to the fact that the temperature dependence of the speed of sound of the measuring tube, which consists for example of steel, is much smaller than that of the measuring medium, for example water, they only cause small measured value fluctuations within a larger temperature range of several degrees Kelvin.
  • Tube wave components n AB (t) and n AB (t) are partially propagated through the medium, the speed of sound in comparison with the speed of sound of the metal
  • Measuring tube with the temperature usually much more changes. 4 shows a measurement with strong measurement error fluctuations within minute temperature changes due to asymmetric tube waves. Symmetrical tube waves cause measurement errors that change much more slowly with temperature, as the measurements in FIG. 5 show. Note the different temperature scales of the two curves. The phenomenon of
  • Pronounced asymmetric tube waves have been observed particularly when using low frequency clamp-on ultrasonic transducers (e.g., 0.5 MHz center frequency) in crossbar mounting on metal tubes.
  • the determination of the SNR for diagnostic purposes without distinguishing symmetric / asymmetrical tube waves is already implemented in our measuring instruments and is regarded as state of the art.
  • the essential component of the present invention is a determination of the proportion of asymmetric tube waves. In addition, a determination is made with regard to the influence on the measured value.
  • the proportion of asymmetric tube waves can be determined by comparing the received signals y AB ⁇ t) and y BA ⁇ t) in a time interval 3 with limits M and N to be determined before the
  • Main pulses are estimated. This is shown in detail in FIG. 6. In this area, the tube waves n AB (t) and n BA (t) are not superimposed by the main signal.
  • the size SDNR is analogous to the SNR a ratio of useful signal power - in this case, the product of the maximum amplitudes of the main pulses - to noise power (noise power), which corresponds to the mean squared difference of the tube wave signals in this case. These Difference is calculated in the sampling interval with the limits M and N according to equation (4).
  • the SDNR size can be used as a quality criterion in the sense of the present application.
  • an SDNR value of less than 25 dB can be classified as a quality criterion "falsified" for a single measured value falsified by interference signals.
  • An SDNR value of greater than 50 dB is classified as a "reliable" quality criterion for a single measured value that is only slightly distorted due to interference signals SDNR is to be understood as an indication of the measurement error and is the abbreviation of the newly defined term "signal-to-differential -Noise Ratio ".
  • the fast, temperature-related measurement error fluctuation according to Figure 4 decreases with increasing SDNR.
  • Noise signals such as electronic noise, electromagnetic interference or external noise, were not taken into account, since they are usually much weaker than the tube wave signals and also on the measured value no systematic (eg dependent on the temperature) influence, which are not eliminated by a sufficiently long averaging can.
  • This SDNR value can be output by the display unit after its calculation and enables the user to make a meaningful assessment with regard to the reliability of his main signal.
  • the determination of the extent of the temperature-sensitive interference signals, ie the asymmetrical tube waves, as measurement error variable enables the end user to validate the signal
  • this validation can be carried out by an evaluation unit itself and be displayed either acoustically or visually, for example, by an output unit.
  • asymmetric tube waves are particularly sensitive to temperature, these asymmetric tube waves form a source of error, the extent of which must be determined for a better validation of the measurement results in short periods of time, preferably every 1-20 seconds.
  • a verification by the evaluation unit of the flowmeter itself can take place with regard to the reliability of the respective
  • Measuring signal sequence whereby only those measurement signal sequences enter into the determination of the flow value, in which the circumference of the asymmetric tube waves does not exceed a certain nominal value.
  • the influence of these spurious signals can also be partially or completely reduced by modulation of the pulse repetition period.
  • the Pulse Repetition Frequency is the number of pulses sent per second.
  • the ultrasonic flowmeter transmits a pulse with a fixed transmission pulse duration and waits between the transmission pulses for the received signals.
  • the time from the beginning of the one transmission pulse to the beginning of the next transmission pulse is called Pulse Repetition Time (PRT) and is the reciprocal of the pulse repetition frequency:
  • the time between the transmission pulses is generally the reception time. This is always smaller than the difference between the pulse repetition period and the transmission time and is sometimes additionally limited by a so-called dead time.
  • the said pulse repetition period can be modulated step by step to asymmetric
  • T c is the center frequency of the Störschallwellen.
  • the pulse repetition period is varied in steps of length T c / 20 to T c / 5 in the range from T P to T P + N * T C , where T P corresponds to the minimum pulse repetition period and N should be between 4 and 10.
  • Modulating the pulse repetition period is understood as meaning the stepwise change of the pulse repetition period in a certain range. Measurements with a pulse repetition period modulation of 20 steps and a step size T S w of 1 / (5-F c ) gave good results (see Fig. 7).
  • the pulse repetition period can be changed after each or several individual measurements. It is important that the pulse repetition period modulation is symmetrical with respect to the transmission direction.
  • Modulation width is the minimum difference between the maximum pulse repetition period and the minimum pulse repetition period. It is between 4 and 10 times the middle period of the Störschallwellen. Step size of the variation of the pulse repetition period is smaller than the period of the noise waves, preferably 1/5 to 1/20.
  • the range of the middle period of the Störschallwellen is between 0.1 and 10 ⁇ .
  • interference signals are recorded under analog measurement conditions.
  • 0.5 MHz clamp-on ultrasonic transducers with a stainless tube (88.9 * 5.5 mm) were used.
  • the measuring medium was water with a flow rate of 12 l / s.
  • the measuring curve 4 shows
  • Pulse sequence period central parameters such as the measurement rate, the measurement noise and the
  • Pulse train period modulation can be achieved.

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Abstract

Verfahren zur Verifizierung der Zuverlässigkeit von ermittelten Messdaten einer Ultraschall-Durchflussmessung nach der Laufzeitdifferenz-Methode, wobei durch ein Ultraschalldurchflussmessgerat mit zumindest zwei Ultraschallwandlern Ultraschallsignale schräg in oder entgegen einer Strömungsrichtung eines Messmediums ausgesandt und empfangen werden, wobei innerhalb eines ersten Zeitfensters vor dem Empfang eines ersten Ultraschallnutzsignals, welches im Wesentlichen durch das Messmedium zwischen den Wandlern propagiert, ein erstes Ultraschallstörsignal aufgenommen wird, wobei das erste Ultraschallstörsignal zumindest teilweise im Messmedium zwischen den Ultraschallwandlern propagiert, wobei innerhalb eines zweiten Zeitfensters vor dem Empfang eines zweiten Ultraschallnutzsignals, welches im Wesentlichen durch das Messmedium zwischen den Wandlern propagiert, ein zweites Ultraschallstörsignal aufgenommen wird, wobei das zweite Ultraschallstörsignal zumindest teilweise im Messmedium zwischen den Ultraschallwandlern propagiert; wobei das erste und das zweite Ultraschallnutzsignal jeweils zwei Ultraschallsignalen zugeordnet sind, die in entgegengesetzten Richtungen durch das Medium gesandt werden, und wobei ein Gütekriterium zur Bewertung der Messunsicherheit eines Messwertes, welcher proportional zu der aus dem ersten und zweiten Ultraschallnutzsignal ermittelten Laufzeitdifferenz ermittelt wird, dessen Ermittlung eine Differenzbildung zwischen dem ersten und dem zweiten Störsignal umfasst.

Description

Verfahren zur Verifizierung der Zuverlässigkeit von ermittelten Messdaten einer Ultraschall-Durchflussmessung nach der Laufzeitdifferenz-Methode und
Ultraschalldurchfluss messgerät Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Verifizierung der Zuverlässigkeit von ermittelten Messdaten einer Ultraschall-Durchflussmessung nach der Laufzeitdifferenz-Methode nach dem Anspruch 1 und ein Ultraschalldurchflussmessgerät nach Anspruch 9.
Ultraschall-Durchflussmessgeräte werden vielfach in der Prozess- und Automatisierungstechnik eingesetzt. Sie erlauben in einfacher Weise, den Volumendurchfluss und/oder Massendurchfluss in einer Rohrleitung zu bestimmen.
Nach neusten Untersuchungen treten bei der Ultraschalldurchflussmessung
Ultraschallstreusignale auf, welche nicht ausschließlich über die Rohrwandung eines Messrohres eines Ultraschalldurchflussmessgerätes übertragen werden, und welche streckenweise durch das Messmedium propagieren. Diese Klasse von Störsignalen weist eine hohe Schwankungsbreite bezüglich des Messfehlers bei bereits geringen Temperaturänderungen auf und folglich sind diese Störsignale daher nur schwer zu kompensieren. Ausgehend von dieser grundlegenden Erkenntnis besteht nunmehr die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die Zuverlässigkeit der ermittelten Messdaten einer Ultraschallmessung in Hinblick auf das Auftreten und den Umfang der vorgenannten temperatursensiblen Störsignale zu verifizieren. Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch die Bereitstellung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Ultraschalldurchflussmessgerät mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zur Verifizierung der Zuverlässigkeit von ermittelten Messdaten einer Ultraschall-Durchflussmessung nach der Laufzeitdifferenz-Methode, wobei durch ein Ultraschalldurchflussmessgerät mit zumindest zwei Ultraschallwandlern
Ultraschallsignale schräg in oder entgegen einer Strömungsrichtung eines Messmediums ausgesandt und empfangen werden,
das Aufnehmen eines ersten Ultraschallstörsignals innerhalb eines ersten Zeitfensters vor dem Empfang eines ersten Ultraschallnutzsignals, welches im Wesentlichen durch das Messmedium zwischen den Wandlern propagiert, wobei das erste Ultraschallstörsignal zumindest
streckenweise durch das Messmedium zwischen den Wandlern propagiert;
das Aufnehmen eines zweiten Ultraschallstörsignals innerhalb eines zweiten Zeitfensters vor dem Empfang eines zweiten Ultraschallnutzsignals, welches im Wesentlichen durch das Messmedium zwischen den Wandlern propagiert, wobei das erste und das zweite Ultraschallnutzsignal jeweils zwei Ultraschallsignalen zugeordnet sind, die in entgegengesetzten Richtungen durch das Medium gesandt werden, und
das Ermitteln eines Gütekriteriums zur Bewertung der Messunsicherheit eines Messwertes, welcher proportional zu der aus dem ersten und zweiten Ultraschallnutzsignal ermittelten Laufzeitdifferenz ist.
Durch die Ermittlung des Gütekriteriums als Term für den Umfang der asymmetrischen
Rohrwellen gelingt eine Verifizierung der Ultraschallmessung insgesamt und der ermittelten Einzelmessdaten.
Eine Verifizierung kann entweder durch Evaluierung des Gütekriteriums durch den Endnutzer erfolgen oder durch eine Auswerteeinheit beispielsweise durch akustische oder optische
Ausgabe vorgenommen werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Zusätzlich kann die Auswerteeinheit nach der Verifizierung des Gütekriteriums anhand von vorgegebenen Sollwerten vorteilhaft entscheiden, ob ein ermittelter Einzelmesswert hinreichend zuverlässig ist. Die Zuverlässigkeit/Unzuverlässigkeit des Einzelmesswertes kann beispielsweise durch visuell-unterschiedliche Anzeige erfolgen. So können unzuverlässige Einzelmesswerte beispielsweise rot und zuverlässige Einzelmesswerte schwarz oder grün angezeigt werden.
Es ist von Vorteil, wenn das Gütekriterium durch eine Vergleichsoperation ermittelt wird, welche die Ermittlung der mittleren quadratischen Differenz aus dem ersten und dem zweiten
Ultraschallstörsignals umfasst, da dadurch eine bessere Fehlerabschätzung erfolgen kann.
Idealerweise sind das erste und das zweite Zeitfenster gleich groß, so dass kein zusätzlicher Mess- und Energieaufwand für ein längeres Zeitfenster aufgewandt wird, welches nicht verglichen werden kann.
Erfindungsgemäß umfasst ein Ultraschalldurchflussmessgerät zumindest zwei Ultraschallwandler und eine Auswertevorrichtung, welche ausgebildet ist zur Verifizierung der Zuverlässigkeit von ermittelten Messdaten einer Ultraschall-Durchflussmessung nach der Laufzeitdifferenz-Methode, insbesondere nach einem Verfahren gemäß Anspruch 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Es ist von Vorteil, wenn das Ultraschalldurchflussmessgerät eine Anzeigeeinheit aufweist, zur Ausgabe einer aktuell ermittelten Messunsicherheit. Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung einer Strömungsgeschwindigkeit oder eines Durchflusses eines Messmediums durch ein Ultraschalldurchflussmessgerät mit zumindest zwei Ultraschallwandlern, wobei Ultraschallsignale schräg in oder entgegen einer Strömungsrichtung eines Messmediums ausgesandt und empfangen werden, wobei eine Kompensation eines Messfehlers hervorgerufen durch Ultraschallstörsignale, welche im Wesentlich außerhalb des Messmediums zwischen den Ultraschallwandlern propagieren umfasst die folgenden Schritte:
a) Aussenden einer Folge von Ultraschallsendesignalen entlang eines
Messpfades mit einer modulierten Impulsfolgeperiode
b) Empfangen einer Folge von Ultraschallempfangssignalen, umfassend
Ultraschallnutzsignale, wobei jeweils ein Ultraschallnutzsignal von zumindest einem Ultraschallstörsignal überlagert ist , und
c) Mitteln der Ultraschallempfangssignale einer Folge oder eines davon
abgeleiteten Wertes zur Reduzierung eines durch die Ultraschallstörsignale hervorgerufenen Messwertfehlers.
. Die Ultraschallsendesignale können nacheinander in einer Richtung ausgesandt werden.
Alternativ kann sich die Senderichtung der Ultraschallpulse beliebig ändern, wobei allerdings sicherzustellen ist, dass das gleiche Modulationsmuster für beide Senderichtungen verwendet wird.
Die Reduktion des Messwertfehlers erfolgt insbesondere bei den Ultraschallstörsignalen, welche von vorhergehenden Sendepulsen stammen.
Fig. 1 Darstellung eines Empfangssignals mit einem Ultraschallnutzsignal und
einem Ultraschallstörsignal ;
Fig. 2 Darstellung eines asymmetrischen Ultraschallstörsignals;
Fig. 3 Darstellung von zwei überlagerten symmetrischen Ultraschallstörsignalen;
Fig. 4 Änderung des Messfehlers von asymmetrischen Ultraschallstörsignalen bei
Temperaturänderung des Mediums;
Fig. 5 Änderung des Messfehlers von symmetrischen Ultraschallstörsignalen bei
Temperaturänderungen des Mediums;
Fig. 6 Überlagerung zweier Ultraschallsignale umfassend ein
Ultraschallnutzsignalbereich und einen vorgelagerten Störsignalbereich;
Fig. 7 Reduktion der Temperaturabhängigkeit von asymmetrischen
Ultraschallstörsignalen durch Impulsfolgemodulation; und
Fig. 8 Schematische Darstellung eines Ultraschalldurchflussmessgerätes nach dem
Stand der Technik.
Nachfolgend soll die Erfindung und deren zugrundeliegende spezielle Problemstellung anhand eines Ausführungsbeispiels für eine Ultraschallwandleranordnung mit einem
Ultraschallwandlerpaar näher erläutert werden. Es sind auch Ultraschallwandleranordnungen mit mehr als zwei Ultraschallwandler bekannt, auf weiche die vorliegende Erfindung ebenfalls anwendbar ist.
Bei der Ultraschall-Durchflussmessung nach dem Laufzeitprinzip werden Ultraschall-Impulse in einem bestimmten Winkel zur Flussrichtung durch das zu messende Medium gesendet. Dies erfolgt beispielsweise durch zwei aufeinander ausgerichtete Ultraschallwandler, wobei jeder Ultraschallwandler über einem ersten Betriebsmodus als Ultraschallsender oder in einem zweiten Betriebsmodus als Ultraschallempfänger fungieren kann. Bei der zuvor beschriebenen Ultraschallwandleranordnung mit zwei Ultraschallwandlern, welche auch als Ultraschallwandlerpaar bezeichnet wird, werden die Ultraschallwandler
abwechslungsweise mit einem elektrischen Signal angeregt, wodurch ein Ultraschall-Impuls abgestrahlt wird. Ein typisches Ultraschalldurchflussmessgerät, wie es aus der WO 2009068691 A1 bekannt ist, ist zur Darstellung des Messprinzips in Fig. 8 abgebildet. Das Ultraschallsignal verläuft durch das im Messrohr befindliche Messmedium, überträgt sich allerdings auch über das Messrohr.
Es sind zudem auch Clamp-on Ultraschalldurchflussmessgeräte bekannt. Hier kommen neben der Übertragung durch die Messrohrwandung ggf. auch noch eine Signalübertragung durch zusätzliche Kopplungsmedien, mit denen der Ultraschallwandler mit dem Messrohr eines
Ultraschalldurchflussmessgerätes gekoppelt ist (z.B. Ultraschallkoppelpaste) und/oder durch eine Messrohrinnenauskleidung (bei korrosiven Messmedien) hinzu. Der jeweils andere
Ultraschallwandler wandelt die ankommende Ultraschall-Welle wieder in ein elektrisches Signal um, das verstärkt und weiterverarbeitet wird.
Die zwei Ultraschallwandler sollen als Ultraschallwandler A und Ultraschallwandler B bezeichnet werden. Je nachdem in welcher Richtung die Ultraschall-Welle gesendet wird, soll das empfangene Signal gemäß folgender Tabelle mit yAB(t) oder VBAW bezeichnet werden:
Figure imgf000006_0001
Der vom einen Ultraschallwandler erzeugte Ultraschall-Impuls wird aufgrund von Reflexion und Refraktion an Materialgrenzflächen, beispielsweise zwischen dem Ultraschallwandler und dem Messrohr, in unzählige Teilwellen gestreut, sodass beim anderen Ultraschallwandler neben dem Hauptpuls, der dem direkten Pfad (gemäss Brechungsgesetz von Snellius) gefolgt ist, unzählige Streuwellen ankommen. Entsprechend weist das Empfangssignal neben dem zeitlich begrenzten Hauptpuls ein überlagertes rauschähnliches Signal auf, das dem Summensignal aller Streuwellen entspricht. Dieses Summensignal wird geläufig auch Rohrwelle genannt, obwohl einige Anteile nicht ausschließlich in der Rohrwand (oder Aufnehmer) sondern auch durch das Medium propagiert sein können. In Fig. 1 ist der zeitliche Verlauf eines Empfangssignals dargestellt. Zunächst erfolgt ein Bereich geringer Amplitude von etwa 10-30 μν. Nach etwa 130 us beginnt das Signal des Hauptpulses, also des eigentlichen Nutzsignals, welches zur Bewertung der Laufzeitdifferenz benötigt wird. Schließlich erfolgt ein Ausschwingen bei etwa 145 us, bei welchem einerseits ein Signalanteil durch ein Nachschwingen des EmpfangsUltraschallwandlers eingeht und andererseits der Anteil der Rohrwelle ist. Zur besseren Kenntlichkeit wurde der Anteil der Rohrwelle 1 und der Anteil des Hauptimpulses 2 grafisch hervorgehoben. In der vorliegenden Erfindung wird der Begriff Störsignal und Rohrwelle synonym verwendet ebenso wie die Begriffe Hauptwelle und
Ultraschallnutzsignal synonym zu verstehen sind.
Wie man erkennt, erfolgt die Übertragung eines Anteils der Rohrwelle, welcher u.a. direkt über das Messrohr übertragen wird, wesentlich schneller als die Übertragung des Hauptsignals. Im vorliegenden Fall wurden die Versuchsbedingungen derart gewählt, dass eine vergleichsweise starke Rohrwelle auftritt.
Figure imgf000007_0001
beschrieben werden, wobei nAB(t) bzw. ηβΛ(ί) die jeweiligen Rohrwellensignale darstellen.
Rauschsignale wie Elektronikrauschen, elektromagnetische Interferenz oder Fremdschall sind nicht berücksichtigt, da diese in der Regel viel schwächer sind als die Rohrwellensignale.
Die Laufzeit des Hauptpulses x(f) wird um 0.5-At erhöht oder verkleinert, je nachdem ob er mit oder gegen die Strömung durch das Medium propagiert ist. Die Laufzeitdifferenz At ist die Messgröße, mit der der Durchfluss bestimmt wird. Da die
Rohrwellen den Hauptpuls überlagern, beeinflussen sie auch die Schätzung der Laufzeitdifferenz At. Das bedeutet, dass der Messfehler eines Ultraschall-Durchfluss-messgerätes unter anderem vom Verhältnis der Amplituden des Hauptpulses und den Rohrwellen abhängt. Dieses Verhältnis wird auch mit Signal-zu-Rausch-Verhältnis (Engl. SNR = Signal-to-Noise Ratio) bezeichnet. Der durch die Rohrwelle verursachte Messfehler ist dabei von der Temperatur des Mediums und des Messrohres (Aufnehmers) abhängig.
Untersuchungen haben gezeigt, dass sich der Messfehler mit der Temperatur stärker und schneller ändert, falls sich die beiden Rohrwellen nAB (t) und nBA (t) unterscheiden. Es konnte gezeigt werden, dass der Unterschied durch Schallwellen verursacht wird, welche noch aufgrund der vorhergehenden Einzelmessung im Messrohr und im Medium vorhanden sind. Als
Einzelmessung wird dabei der eingangs beschriebene Vorgang bezeichnet, bei dem der eine Ultraschallwandler einen Ultraschall-Impuls absendet und der andere Ultraschallwandler das ankommende Ultraschall-Signal wieder in ein elektrisches Signal wandelt, welches verstärkt und für die weitere Verarbeitung in einem bestimmten Zeitabschnitt aufgezeichnet wird. Diese langlebigen Störschallwellen bzw. Rohrwellen, in den folgenden Gleichungen mit nAB(t) bzw. nBA(t) bezeichnet, sind für die beiden Ausbreitungsrichtungen unterschiedlich. Eine mögliche Erklärung hierfür könnte darin liegen, dass sie nicht ausschließlich im Messrohr sondern abschnittweise auch durch das fließende Medium propagieren. Die Rohrwellensignale aus Gleichung (1 ) können gemäss der folgenden Gleichung jeweils als Summe des reinen durchflussunabhängigen Rohrwellensignals np(t) und der durchflussabhängigen und daher unterschiedlichen Anteile nAB(t) bzw. nBA{t) dargestellt werden.
nAB (t) = nP (t) + nAB (t)
nBA (t) = nP (t) + nBA (t)
Der Anteil nP(t) , also Rohrwellen mit nAB(t) = nBA(t) = 0, sollen als symmetrische Rohrwellen bezeichnet werden, weil gemäß Gleichung (2) folgendes gilt: nAB it) = nBA {t) = nP {t) (3)
Die symmetrischen Rohrwellen sind in Fig. 3 dargestellt, in welcher sich die zwei Wellen nAB(t) und nBA (t) vollständig überlagern. Die symmetrischen Rohrwellen können beispielsweise Echos von vorhergehenden Schallpulsen sein, welche allerdings ausschließlich außerhalb des Messmediums, insbesondere ausschließlich im Messrohr, propagieren. Sie sind relativ häufig und gehen als Grundrauschen in die Messung ein. Sie verursachen aufgrund der Tatsache, dass die Temperaturabhängikeit der Schallgeschwindigkeit des Messrohres, das beispielsweise aus Stahl besteht, viel kleiner ist als diejenige des Messmediums, beispielsweise Wasser, , nur geringe Messwertschwankungen innerhalb eines größeren Temperaturbereichs von mehreren Grad Kelvin.
Für asymmetrische Rohrwellen gilt nAB(t) Φ nBA(t) . Diese Situation ist in Fig. 2 dargestellt. Die oben erwähnte Abhängigkeit des Messfehlers kommt dadurch zustande, dass die
Rohrwellenanteile nAB(t) und nAB(t) teilweise durch das Medium propagiert sind, dessen Schallgeschwindigkeit sich im Vergleich mit der Schallgeschwindigkeit des metallenen
Messrohres mit der Temperatur in der Regel viel stärker ändert. Fig. 4 zeigt eine Messung mit starken Messfehlerschwankungen innerhalb kleinster Temperaturänderungen aufgrund asymmetrischer Rohrwellen. Symmetrische Rohrwellen verursachen Messfehler, die mit der Temperatur viel langsamer ändern, wie die Messungen in Fig. 5 zeigen. Man beachte die unterschiedlichen Temperaturskalen der beiden Kurven. Das Phänomen der
Temperaturveränderlichkeit der asymmetrischen Rohrwellen wurde bislang noch nicht erkannt. Es verhält sich sogar so, dass diese asymmetrischen Rohrwellen bislang noch nicht
wahrgenommen und als solche identifiziert wurden. Sie treten vergleichsweise selten auf, bilden allerdings einen erheblichen Störsignalanteil. Diese asymmetrischen Rohrwellen treten auch bei Inline-Ultraschalldurchflussgeräten auf, bei denen die Ultraschallwandler mediumsberührend ausgeführt sind und das Ultraschallsignal durch Mehrfachreflexion an der Rohrinnenwand von einem Ultraschallwandler zum anderen läuft. Hier treten auch die besagten asymmetrischen Rohrwellen auf, welche in diesem Fall nur vom aktuellen und nicht vom vorherigen Sendesignal stammen. Derartige Ultraschallstörsignale lassen sich nicht durch Impulsfolgenmodulation kompensieren.
Ausgeprägte asymmetrische Rohrwellen wurden insbesondere bei Verwendung niederfrequenter Clamp-on Ultraschallwandler (z.B. 0.5 MHz Mittenfrequenz) in Zweitraversenmontage auf Metallrohren beobachtet. Die Bestimmung des SNR für Diagnosezwecke ohne Unterscheidung symmetrischer/asymmetrischer Rohrwellen ist in unseren Messgeräten schon implementiert und wird als Stand der Technik betrachtet.
Der wesentliche Bestandteil der vorliegenden Erfindung besteht in einer Bestimmung des Anteils der asymmetrischen Rohrwellen. Zudem erfolgt eine Bestimmung bezüglich des Einflusses auf den Messwert.
Der Anteil der asymmetrischen Rohrwellen kann durch Vergleich der Empfangssignale yAB{t) und yBA{t) in einem Zeitabschnitt 3 mit zu bestimmenden Grenzen M und N vor den
Hauptpulsen abgeschätzt werden. Dies ist im Detail in Fig. 6 dargestellt. In diesem Bereich sind die Rohrwellen nAB (t) und nBA(t) nicht durch das Hauptsignal überlagert. Die Grenzen, welche im vorliegenden Beispiel zwischen M=20 und N=302 liegen, können je nach Nennweite des Messrohres völlig unterschiedlich sein - können allerdings im Rahmen einer Messung bestimmt werden.
Als Vergleichsoperation zwischen den in Fig. 6 dargestellten Rohrwellen, wovon eine mit und eine gegen die Strömung durch das Medium propagiert, kommt der mittlere quadratische Fehler in Betracht.
Dieser wird gemäß folgender Gleichung ins Verhältnis zum Produkt der maximalen Amplituden der Hauptpulse gesetzt.
Man beachte, dass in den folgenden Gleichungen anstatt der Zeitvariable t der für die
Beschreibung zeitdiskreter (abgetasteter) Signale geeignete Abtastindex k verwendet wird.
Figure imgf000009_0001
Die Größe SDNR ist analog zum SNR ein Verhältnis von Nutzsignalleistung - in diesem Fall dem Produkt der maximalen Amplituden der Hauptpulse - zu Rauschleistung (Störsignalleistung), die in diesem Fall der mittleren quadrierten Differenz der Rohrwellensignale entspricht. Diese Differenz wird im Abtastintervall mit den Grenzen M und N gemäß Gleichung (4) berechnet. Die SDNR-Größe kann als Gütekriterium im Sinne der vorliegenden Anmeldung verwendet werden.
So ist beispielsweise ein SDNR-Wert von kleiner als 25 dB als Gütekriterium„verfälscht" für einen durch Störsignale verfälschten Einzelmesswert einzustufen.
Ein SDNR-Wert von größer als 50 dB ist hingegen als Gütekriterium„verlässlich" für einen durch Störsignale lediglich gering verfälschten Einzelmesswert einzustufen. SDNR ist als Angabe bezüglich des Messfehlers zu verstehen und ist die Abkürzung des hiermit neu definierten Begriffs„Signal-to-Differential-Noise Ratio". Die schnelle, temperaturbedingte Messfehlerschwankung gemäss Abbildung 4 nimmt mit steigendem SDNR ab.
Die Differenz der Rohrwellensignale kann wie folgt geschrieben werden. An[k] = nM [k] - nBA [k] =(nP[k] + nM [k]) - (nP[k] + nBA [k]) = nM [k] - nBA [k] ,
wobei der symmetrische Rohrwellenanteil np(t) wegfällt.
Abschließend sei nochmals angemerkt, dass in diesen Ausführungen stochastische
Rauschsignale, wie Elektronikrauschen, elektromagnetische Interferenz oder Fremdschall, nicht berücksichtig wurden, da sie in der Regel viel schwächer sind als die Rohrwellensignale und zudem auf den Messwert keinen systematischen (z.B. von der Temperatur abhängigen) Einfluss haben, der nicht durch genügend lange Mittelung eliminiert werden kann.
Dieser SDNR Wert kann nach seiner Berechnung durch die Anzeigeeinheit ausgegeben werden und ermöglicht dem Nutzer eine sinnvolle Einschätzung bezüglich der Zuverlässigkeit seines Hauptsignals Die Bestimmung des Umfangs der temperatursensiblen Störsignale, also der asymmetrischen Rohrwellen, als Messfehlergröße ermöglicht dem Endverbraucher eine Validierung der
Zuverlässigkeit seiner ermittelten Durchflusswerte. Diese Validierung kann allerdings durch eine Auswerteeinheit selbst vorgenommen und beispielsweise durch eine Ausgabeeinheit entweder akustisch oder visuell angezeigt werden.
Da die asymmetrischen Rohrwellen besonders temperaturempfindlich sind, bilden diese asymmetrischen Rohrwellen eine Fehlerquelle, deren Umfang für eine bessere Validierung der Messergebnisse in kurzen Zeiträumen, vorzugsweise alle 1-20 sec, bestimmt werden muss. Es kann alternativ oder zusätzlich eine Verifizierung durch die Auswerteeinheit des Durchflussmessgerätes selbst erfolgen, bezüglich der Zuverlässigkeit der jeweiligen
Messsignalfolge, wobei nur diejenigen Messsignalfolgen in die Ermittlung des Durchflusswertes eingehen, bei denen der Umfang der asymmetrischen Rohrwellen einen bestimmten Sollwert nicht überschreiten.
Zusätzlich zur Verifizierung des Umfangs der temperatursensiblen asymmetrischen Störsignale kann der Einfluss dieser Störsignale auch teilweise oder vollständig durch eine Modulation der Impulsfolgeperiode reduziert werden.
Die Impulsfolgefrequenz (engl.: Pulse Repetition Frequency PRF = Pulswiederholfrequenz) ist die Anzahl der gesendeten Impulse pro Sekunde. Das Ultraschalldurchflussmessgerät sendet einen Impuls mit einer festgesetzten Sendeimpulsdauer und wartet zwischen den Sendeimpulsen auf die Empfangssignale. Die Zeit vom Beginn des einen Sendeimpulses bis zum Beginn des nächsten Sendeimpulses wird Impulsfolgeperiode (engl.: Pulse Repetition Time PRT) genannt und ist der Kehrwert der Impulsfolgefrequenz:
Die Zeit zwischen den Sendeimpulsen ist allgemein die Empfangszeit. Diese ist immer kleiner als die Differenz zwischen der Impulsfolgeperiode und der Sendezeit und wird manchmal zusätzlich begrenzt durch eine so genannte Totzeit.
Die besagte Impulsfolgeperiode kann schrittweise moduliert werden um asymmetrische
Rohrwellen, welche aus vorangegangenen Sendepulsen gebildet werden, zu kompensieren Die optimalen Werte für die Schrittweite und die Anzahl der Schritte hängen von der mittleren Periode Tc (=1/FC) der Störschallwellen ab. Fc ist die Mittenfrequenz der Störschallwellen. Die Impulsfolgeperiode wird in Schritten der Länge Tc/20 bis Tc/5 im Bereich von TP bis TP+N*TC variiert, wobei TP der minimalen Impulsfolgeperiode entspricht und N zwischen 4 und 10 liegen sollte.
Durch Modulation der Impulsfolgeperiode geht die Kohärenz zwischen der Hauptwelle und den genannten, sehr langsam abklingenden Störschallwellen im Mittel verloren. Unter Modulation der Impulsfolgeperiode versteht man die schrittweise Änderung der Impulsfolgeperiode in einem bestimmten Bereich.. Messungen mit einer Impulsfolgeperiodenmodulation von 20 Schritten und einer Schrittweite TSw von 1/(5-Fc) lieferten gute Resultate (siehe Fig. 7). Die Impulsfolgeperiode kann nach jeder oder nach mehreren Einzelmessungen verändert werden. Dabei ist es wichtig, dass die Impulsfolgeperiodenmodulation bezüglich der Senderichtung symmetrisch erfolgt.
Modulationsbreite ist die minimale Differenz der maximalen Impulsfolgeperiode und der minimalen Impulsfolgeperiode. Sie beträgt zwischen 4 und 10mal der mittleren Periode der Störschallwellen. Schrittweite der Variation der Impilsfolgeperiode ist kleiner als die Periode der Störschallwellen, vorzugsweise 1/5 bis 1/20.
Der Bereich der der mittleren Periode der Störschallwellen beträgt zwischen 0,1 und 10 με.
In Fig. 7 sind Störsignale unter analogen Messbedingungen aufgenommen. Hierbei wurden 0,5 MHz Clamp-on Ultraschallwandler mit einem rostfreiem Messrohr (88,9*5,5 mm) genutzt. Das Messmedium war Wasser mit einem Durchfluss von 12 l/s. Die Messkurve 4 zeigt
Messfehlerschwankungen des Ultraschallstörsignals hervorgerufen durch asymmetrische Rohrwellen.
Wie man anhand der Messkurve 5 erkennt erfolgt Reduktion der temperaturbedingten
Messfehlerschwankungen mittels Impulsfolgeperiodenmodulation
Zudem wurde als Vergleich in der Messkurve 6 eine Messung mit einer konstanten und sehr langen Impulsfolgeperiode von 40 ms aufgeführt. Durch Verlängerung der Impulsfolgeperiode wird erreicht, dass Störsignale, welche von vorherigen Sendepulsen stammen, soweit abklingen, dass sie das aktuelle Empfangssignal kaum noch stören. Jedoch beeinflusst die
Impulsfolgeperiode zentrale Parameter wie die Messrate, das Messrauschen und die
Ansprechzeit des Durchflussmessgerätes. In dieser Hinsicht ist eine möglichst kurze
Impulsfolgeperiode anzustreben, ohne dass die Interferenzen der vorherigen Sendepulse den Messwert verfälschen. Dies kann, wie in der Messkurve 5 dargestellt, durch die
Impulsfolgeperiodenmodulation erreicht werden.
Es wird daher nicht versucht, den Störwellen auszuweichen, sondern deren Einfluss auf den Messwert durch Aufhebung der Kohärenz zwischen Haupt- und Störwellen zu minimieren.
Bezugszeichenliste
1 Rohrwelle
2 Hauptwelle
3 Zeitabschnitt
4 Messkurve - unkompensiert
5 Messkurve - kompensiert
6 Messkurve- kompensiert

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Verifizierung der Zuverlässigkeit von ermittelten Messdaten einer
Ultraschall-Durchflussmessung nach der Laufzeitdifferenz-Methode, wobei durch ein Ultraschalldurchflussmessgerät mit zumindest zwei Ultraschallwandlern Ultraschallsignale schräg in oder entgegen einer Strömungsrichtung eines Messmediums ausgesandt und empfangen werden,
wobei innerhalb eines ersten Zeitfensters vor dem Empfang eines ersten
Ultraschallnutzsignals, welches im Wesentlichen durch das Messmedium zwischen den Wandlern propagiert, ein erstes Ultraschallstörsignal aufgenommen wird, wobei das erste Ultraschallstörsignal zumindest teilweise im Messmedium zwischen den
Ultraschallwandlern propagiert,
wobei innerhalb eines zweiten Zeitfensters vor dem Empfang eines zweiten
Ultraschallnutzsignals, welches im Wesentlichen durch das Messmedium zwischen den Wandlern propagiert, ein zweites Ultraschallstörsignal aufgenommen wird, wobei das zweite Ultraschallstörsignal zumindest teilweise im Messmedium zwischen den
Ultraschallwandlern propagiert,
wobei das erste und das zweite Ultraschallnutzsignal zwei Ultraschallsignalen zugeordnet sind, die in entgegengesetzten Richtungen durch das Medium gesandt werden, und wobei ein Gütekriterium zur Bewertung der Messunsicherheit eines Messwertes, welcher proportional zu der aus dem ersten und zweiten Ultraschallnutzsignal ermittelten
Laufzeitdifferenz ermittelt wird, dessen Ermittlung eine Differenzbildung zwischen dem ersten und dem zweiten Störsignal umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Sollwert für ein
Gütekriterium vorgegeben wird und sofern der Sollwert unterschritten wird, die
Messunsicherheit als zu hoch evaluiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gütekriterium durch eine Vergleichsoperation ermittelt wird, welche die Ermittlung der mittleren quadratischen Differenz aus dem ersten und dem zweiten Ultraschallstörsignals umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gütekriterium durch eine Vergleichsoperation ermittelt wird, welche die
Quotientenbildung aus dem Produkt der maximalen Amplituden des
Ultraschallnutzsignals zur mittleren quadratischen Differenz des ersten und des zweiten Ultraschallstörsignals umfasst.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Zeitfenster gleich groß sind. Ultraschalldurchflussmessgerät mit zumindest zwei Ultraschallwandlern und einer Auswertevorrichtung, welche ausgebildet ist zur Verifizierung der Zuverlässigkeit von ermittelten Messdaten einer Ultraschall-Durchflussmessung nach der Laufzeitdifferenz- Methode, insbesondere nach einem Verfahren gemäß Anspruch 1.
Ultraschalldurchflussmessgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet dass das Ultraschalldurchflussmessgerät eine Anzeigeeinheit aufweist, zur Ausgabe einer aktuell ermittelten Messunsicherheit.
Verfahren zur Bestimmung einer Strömungsgeschwindigkeit oder eines Durchflusses eines Messmediums durch ein Ultraschalldurchflussmessgerät mit zumindest zwei Ultraschallwandlern, wobei Ultraschallsignale schräg in oder entgegen einer
Strömungsrichtung eines Messmediums ausgesandt und empfangen werden, wobei eine Kompensation eines Messfehlers hervorgerufen durch Ultraschallstörsignale, welche im Wesentlich außerhalb des Messmediums zwischen den Ultraschallwandlern propagieren durch folgende Schritte erfolgt:
a) Aussenden einer Folge von Ultraschallsendesignalen entlang eines
Messpfades mit einer modulierten Impulsfolgeperiode
b) Empfangen einer Folge von Ultraschallempfangssignalen, umfassend
Ultraschallnutzsignale, wobei jeweils ein Ultraschallnutzsignal von zumindest einem Ultraschallstörsignal überlagert ist , und
c) Mitteln der Ultraschallempfangssignale einer Folge oder eines davon
abgeleiteten Wertes zur Reduzierung eines durch die Ultraschallstörsignale hervorgerufenen Messwertfehlers.
Ultraschalldurchflussmessgerät, mit zumindest zwei Ultraschallwandler und einer Steuer- und/oder Regeleinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Regeleinheit vorgesehen ist zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 -8
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